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1、 11 引言随着通信技术、数字电视、航空航天和遥控技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率数量的要求也越来越高。为了提高频率的稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它很难产生多个频率信号。而频率合成技术，可以通过对频率进行加、减、乘、除运算，从一个高稳定度和高准确度的标准信号源，产生大量具有同样高稳定度和高准确度的不同频率。频率合成器是从一个参考频率中产生多种频率的器件。基于频率合成器的这以一特点，利用锁相式频率合成技术，可以制作高稳定度、宽频带的正弦波信号发生器。2 设计要求利用锁相环技术产生一个失真度小、频率从 30 100可调的正弦波信号。根据频率的不同选择
2、不同步进的标准频率。当信号处于较低频率时，选择步进为 1标准频率，此时它的最小误差不大于 当信号在较高的频率段时，选择以 25 标准频率，它的最小误差不大于 0. 5%。控振荡器方案论证与选择 方案 1：采用分立元件构成。利用低噪声场效应管，用单个变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件。图 3压控振荡电路电路是电容三点式振荡器，如图 3示。该方法实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易灵活控制 1。方案 2：采用压控振荡器和变容二极管，及一个 振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变压控振荡的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相
3、环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。综上所述，方案 2 具有更优良的物性和更简单的电路构成，所以使用方案 2 2为本次设计的方案。率合成器的设计方案论证与选择 方案 1:采用直接式频率合成器技术,将一个或几个晶体振荡器产生的标准频率通过谐波发生器产生一系列频率,然后再对这些频率进行倍频、分频或混频，获得大量的离散频率。其组成框图如 3示。直接式频率合成器频率稳定度高，频率转换时间短，频率间隔小。但系统中需要用大量的混频器、滤波器等，体积大，易产生过多杂散分量，而且成本高、安装调试都比较困难。图 3接式频率合成方案 2：采用模拟锁相式频率合成器技术，通过环路分频器降频，将 频率降低，与
4、参考频率进行鉴相。优点：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器的工作频率不高，频率变化范围不大，较容易实现，带内带外噪声和锁定时间易于处理，频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是分频率的提高要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较复杂 2。方案 3：采用数字锁相环式频率合成技术，由晶振、鉴频/鉴相（D） 、环路滤波器（、可变分频器（N）和压控振荡器（成。组成框图如图 5用锁相环，将 输出频率锁定在所需频率上。此电路可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，采用大规模的集成芯片，与前两种方案相比可以简化频率合成部分的设计，有利于集成化和小型化。频率合成采用大规模
5、集成 片 用 综上所述，选择方案 3 即采用大规模 片 其他芯片构成数字锁相环式频率合成器。4 系统组成根据要求设计信号发生器，输出信号为正弦波。设计中采用锁相环式的频率合成技术，利用锁相环，使输出的正弦波频率与晶体振荡器的稳定度一样。控制部分采用单片机来完成，利用数码管对频率进行显示并对频率值进行存储。系统框图如图 4示晶振谐波发生器分频器倍频器混频器 3图 4统框图5 相环的概念锁相环是指使高频振荡器的频率与基准频率的整数倍频率一致时所使用的电路。通常基准振荡器都使用晶体振荡器，所以高频振荡的频率稳定度与晶体振荡器相同。相环基本框图图 5锁相环的基本结构图，由 位比较器、基准频率振荡器、环
6、路滤波器所组成的。在这里用 表示基准频率振荡器频率， 则表示 频率。当于某种原因而发生变化时，必然相应地产生相位的变化。相0基本结构图的变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位 相比较，使鉴相器输出一个 C(t)。 C(t)用来控制压控振荡器中的压控元利用低通滤波器把误差信号变成直流电压比较 与 从D）压控制振荡器）环路滤波器基准振荡频率振荡频率随t) C(t)UR(t) 0率合成器 通滤波器 压控振荡器键盘控制频率测量电路输出存储电路 4件参数，一般指的是变容二极管，而这压控元件又是 荡回路的组成部分，结果压控元件电容量的变化将 输出频率 又拉回稳定值来。这样，输出0频率与相位的关系可知，瞬
7、时频率与瞬时相位的关系是：（t）= ( + (t0式中的 为初始相位， 为瞬时频率。0)(t由上面讨论可知加到鉴相器的两个振荡信号的频率差为：0r(参考晶体振荡器的频率， 压控荡频率。0此时的瞬时相位差为=+ (当两个振荡器的频率相等时它们的瞬时相位差是一个常数 ，即：0= (5.5)t）= =0 (即当两个振荡频率相等时，有相位差，无频率差 3。相器的时序图当 与 的关系为 。也就是 荡频率 低于 时的状态。此时相D，如图 5示，产生正脉冲信号，使 振荡频率提高的信号。反之，当 是产生负脉冲。这一 波信号经过回路滤波器的积分，便可 5图 5位/频率比较器的动作以得到直流电压 以控制 路。由于
8、控制电压 变化，荡频率会提高。结果使得 = 在 与 的相位成为一致时，子会成为高阻抗状态，使锁定(捉带与通频带压控振荡器本来处于失锁状态时，由于环路的作用，使压控振荡频率逐渐向标准参考频率靠近，靠近到一定程度后，环路即能进入锁定。这一过程叫做捕捉过程。系统能捕捉最大的频率失谐范围称为捕捉带或捕捉范围。当环路已锁定后，如果由于某种原因引起频率变化，这种频率变化反映为相位变化，则通过环路的作用，可使 频率和相位不断跟踪变化。这时环路即处于跟踪状态。环路所能保持跟踪的最大失谐频带称为同步带，又称为同步范围或锁定范围。6 控振荡器压控振荡就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件。压控器件一般是用变
9、容二级管，它的电容量受到输入电压的控制，当输入电压变化，就引起了起振荡频率的变化。因此，压控振荡器事实是一种电压频率变换器。它的特性可用瞬时振荡频率 与控制电压 图 6示。图上的中r 6心频率 是在没有外加控制电压时的固有频率。在一定范围内， 与 r性关系。在线性范围内，这一线性可用下列方程来表示。（t）= +(t) (6.1)特性曲线的斜率，称为 增益或灵敏度，量纲为 表示单位电压所引起的振荡角频率变化的大小。r图 6控振荡器 一个 8 引线双列直插的器件，内部电路图如图 6示。压控振荡电路由芯片内部 5、1、 0 脚和 12 脚外接 振回路组成正反馈的正弦振荡电路 4，其振荡频率：（ 分别
10、为电感、电容大小， 为变容二极管的电容量。 O 1 7图 6控振荡电路设计图 6压控振荡电路图。压控振荡器主要由压控振荡芯片 变容二图 6控振荡电路极管 及谐振回路构成。要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路 5。为达到最佳工作性能，在工作频率要求并联谐振回路的 00。电源采用5V 的电压，振荡器的输出频率随加在变容二极管上的电压大小变化而变化。通过切换电源来切换电感量，从而改变振荡频率。 容二级管与开关二级管切换电路 变容二极管变容二级管是一种特制的二级管，它的 电容变化范围比较大，正常工作时，变容二级管加反相电压，在其 上产生电荷存储，于是相当于一个电容，当反向电压改变时，变容二级管的结电容也发生相应的变化 6。变容二级管的结电容 R 是加在变容二极管的反向电压，C R=0 时 的结电容 接触电位差； 电感切换电路为了扩大频率的带宽，通过切换电源来切换电感。图 6开关二级管切换频（14 8段电路图。当开 S 连接+5V 时，开关二级管 感 2相加，电感量较大，对应于低频段 S 接向地时，V 2被大电容 2000接，电感
